Gelatin : Au nanoparticle 나노복합체 기반 전자 시냅스 소자

Abstract

기존의 디지털 컴퓨터 구조는 기억장치, 중앙처리 장치, 입출력 장치 3단계를 거치는 ‘폰 노이만 구조’를 띄고 있다. 하지만 폰 노이만 구조는 나열된 명령어를 순차적으로 수행하기 때문에, 많은 양의 정보를 처리하기에는 엄청난 양의 전력과 시간이 소비되고 병목 현상 (Von-Neumann Bottleneck)이라는 문제에 직면해 있다. 이에 대한 해결책으로, 뉴로모픽 시스템 (Neuromorphic System)은 고속의 처리속도와 향상된 에너지 효율을 제공하기 때문에 대표적인 대안 중에 하나이다. 사람의 뇌는 약 개의 뉴런 (Neuron)과 개의 시냅스 (Synapse)를 활용하여 학습과 기억 기능을 수행한다. 동시에 많은 양의 정보를 처리할 수 있는 능력을 가지며 에너지를 거의 소비하지 않는 장점을 가지고 있다. 특히, 생물학적 시냅스를 모방한 멤리스티브 소자 (Memristive Device) 기반 전자 시냅스 소자 개발이 급부상하고 있다. 멤리스티브 소자는 간단한 구조 (Metal/Insulator/Metal, MIM), 우수한 안정성, 빠른 동작 속도, 낮은 전력 소비, 그리고 공정비용이 저렴한 장점을 가지고 있다. 유기물 (Organic), 금속 산화물 (Metal oxide), 탄소 (Carbon based materials) 기반 멤리스티브 소자는 다양하게 연구되어 왔다. 멤리스티브 소자 중에서, 유기물/무기물 나노복합체 구조 기반 멤리스티브 소자는 유연성 (Flexibility), 무독성 (Nontoxicity), 그리고 저렴한 공정비용으로 유망한 후보 중에 하나이다. 또한 DNA, 페리틴, 실크, 전분, 세리신, 키토산, 리그닌을 포함한 다양한 친환경 물질을 활용하여 제작된 멤리스티브 소자는 생체적합성 (Bio-compatibility), 생물분해성 (Bio-degradability)으로 인해 환경을 보존하는 것과 관련하여 현대 사회에서 광범위하게 연구되고 국제적적으로 주목을 받고 있다. 친환경 물질인 Au nanoparticles (NPs)은 소자의 동작 전압을 제어할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 천연 단백질의 일종인 젤라틴 (Gelatin)은 지구상에서 가장 풍부한 바이오 폴리머 중 하나이며 동물 피부, 힘줄 및 연골에서 간단한 공정과정을 통해 얻을 수 있다. 젤라틴의 구조는 Ala-Gly-Pro-Arg-Gly-Glu-4Hyp-Gly-Pro이며 헤테로원자 (Heteroatom)를 함유한다. Au NPs은 생체 적합성, 무독성 특성으로 생물의학 및 의료 응용분야까지 광범히 연구되어 왔다. 이 연구에서는, 전자 시냅스 소자의 활성층 (Active layer) 물질로 gelatin:Au NPs 나노복합체를 활용하여, 강화 (Potentiation)/억압 (Depression), EPSC (Excitatory postsynaptic current), 단기 기억 상태에서 장기 기억 상태 전화 (Transition from short term potentiation to long term potentiation)에 대해 연구했다.